Dark-Mode Control of Contrasting Entanglement and Bell Nonlocality between Mechanical Oscillators

क्वांटम दुनिया में, परमाणुओं और प्रकाश को नियंत्रित करने वाले नियम अक्सर अजीब और अंतर्ज्ञान के विपरीत होते हैं, फिर भी वे उन तकनीकों की कुंजी रखते हैं जो एक दिन हमारे संचार करने और ब्रह्मांड को मापने के तरीके में क्रांति ला सकती हैं। इस क्षेत्र की दो सबसे प्रसिद्ध अवधारणाएं एंटैंगलमेंट (entanglement) और नॉनलोकैलिटी (nonlocality) हैं। एंटैंगलमेंट दो कणों के बीच एक गहरा संबंध है जहाँ एक की स्थिति दूसरे को तुरंत प्रभावित करती है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। नॉनलोकैलिटी वह विशिष्ट, कठोर प्रमाण है कि यह संबंध वास्तविक है और इसे शास्त्रीय भौतिकी के किसी भी छिपे हुए, स्थानीय नियमों द्वारा समझाया नहीं जा सकता है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने यह मान लिया था कि दो वस्तुओं के बीच एंटैंगलमेंट जितना मजबूत होगा, उनकी नॉनलोकल प्रकृति को सिद्ध करना उतना ही आसान होगा। हालाँकि, सूक्ष्म, कंपन करने वाली यांत्रिक वस्तुओं से जुड़े सिस्टम के हालिया शोधों ने इस सरल धारणा को चुनौती दी है, जिससे एक अधिक जटिल संबंध का पता चला है जहाँ ये दोनों घटनाएँ हमेशा एक साथ नहीं चलती हैं।

शोधकर्ताओं ने अब प्रकाश के एक साझा कैविटी (cavity) से जुड़े दो छोटे यांत्रिक ड्रमों, या ऑसिलेटर्स (oscillators) के सिस्टम का उपयोग करके इस संबंध को खोजने के लिए एक विस्तृत योजना प्रस्तावित की है। ये यांत्रिक वस्तुएं एकल परमाणुओं की तुलना में विशाल हैं, जिनमें अरबों परमाणु होते हैं, जो उनके क्वांटम स्वरूप को सिद्ध करना इस बात को समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम बनाता है कि क्वांटम दुनिया कैसे उस रोजमर्रा की शास्त्रीय दुनिया में परिवर्तित होती है जिसे हम देखते हैं। सुविक अगस्ती और सहयोगियों के नेतृत्व वाली टीम ने एक सैद्धांतिक सेटअप डिजाइन किया जहाँ इन दो ड्रमों को लेजर प्रकाश द्वारा संचालित किया जाता है ताकि एक विशिष्ट प्रकार की क्वांटम अवस्था उत्पन्न की जा सके जिसे 'टू-मोड स्क्वीज्ड स्टेट' (two-mode squeezed state) कहा जाता है। इस अवस्था में, दोनों ड्रमों के कंपन इस तरह से जुड़े होते हैं जो उनके संयुक्त संचलन की अनिश्चितता को कम कर देता है, जिससे एक अत्यधिक एंटैंगल्ड जोड़ा बनता है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे एंटैंगलमेंट की डिग्री और नॉनलोकैलिटी को प्रदर्शित करने की क्षमता को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित कर सकते हैं, यानी एक को बढ़ाते हुए दूसरे को कम कर सकते हैं।

अध्ययन एक आश्चर्यजनक ट्रेड-ऑफ (trade-off) को प्रकट करता है जो तब होता है जब सिस्टम पूरी तरह से ट्यून नहीं होता है। एक आदर्श दुनिया में, प्रकाश और यांत्रिक ड्रमों के बीच का संबंध पूर्ण होगा। हालाँकि, वास्तविकता में, अक्सर ऐसे दोष होते हैं कि प्रकाश यांत्रिक गति के साथ कैसे जुड़ता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब ये खामियां मौजूद होती हैं, तो दोनों ड्रमों के बीच एंटैंगलमेंट वास्तव में बढ़ जाता है। कोई उम्मीद कर सकता है कि यह मजबूत संबंध नॉनलोकैलिटी को सिद्ध करना आसान बना देगा, लेकिन इसके विपरीत होता है। खामियां सिस्टम में एक प्रकार का "शोर" या मिश्रण (mixedness) पैदा करती हैं, जो क्वांटम अवस्था की शुद्धता (purity) को कम कर देती है। जबकि ड्रम अधिक एंटैंगल्ड रहते हैं, इस शुद्धता की कमी नॉनलोकैलिटी को सिद्ध करने के लिए आवश्यक विशिष्ट गणितीय परीक्षणों का उल्लंघन करना बहुत कठिन बना देती है। वास्तव में, उनके सिमुलेशन में सबसे मजबूती से एंटैंगल्ड अवस्थाएं वे नहीं थीं जिन्होंने नॉनलोकैलिटी के सबसे मजबूत प्रमाण दिखाए; इसके बजाय, नॉनलोकैलिटी के स्पष्ट प्रमाण उन अवस्थाओं में दिखाई दिए जो कम एंटैंगल्ड थीं लेकिन बहुत "साफ" या शुद्ध थीं।

इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने एक नया तंत्र पेश किया: दो यांत्रिक ड्रमों के बीच ऊर्जा का सीधे आदान-प्रदान करने का एक नियंत्रित तरीका, जिसे वे 'फोनन हॉपिंग' (phonon hopping) कहते हैं। इस ऊर्जा विनिमय के चरण (phase) को समायोजित करके, वे "डार्क मोड्स" (dark modes) बना सकते हैं। एक डार्क मोड में, एक यांत्रिक कंपन प्रकाश क्षेत्र के प्रति प्रभावी रूप से अदृश्य हो जाता है, जो उसे कुछ प्रकार के क्षय (decay) से बचाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस चरण को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वे विशिष्ट कॉन्फ़िगरेशन में क्वांटम अवस्था की शुद्धता को चुनिंदा रूप से बहाल कर सकते हैं। इस बहाली ने उन्हें नॉनलोकैलिटी के साक्ष्य को बढ़ाने की अनुमति दी, भले ही ड्रमों के बीच समग्र एंटैंगलमेंट कम हो गया हो। यह ऐसा है जैसे शोधकर्ताओं ने सिग्नल को बस इतना साफ करने का तरीका ढूंढ लिया हो कि नॉनलोकैलिटी का प्रमाण फिर से दिखाई देने लगे, भले ही वस्तुओं के बीच का संबंध थोड़ा कमजोर हो गया हो।

निष्कर्ष मौजूदा प्रयोगात्मक तकनीक के अनुकूल एक सिस्टम के कठोर गणितीय सिमुलेशन पर आधारित हैं। प्रस्तावित सेटअप उन माइक्रोवेव कैविटी और मैकेनिकल रेज़ोनेटर का उपयोग करता है जो आज प्रयोगशालाओं में पहले से ही उपयोग किए जा रहे हैं, जैसे कि उन्नत क्वांटम कंप्यूटिंग अनुसंधान में पाए जाने वाले ड्रमहेड रेज़ोनेटर। टीम ने दिखाया कि उनका क्रम उन मापदंडों की सीमा के भीतर काम करता है जो वर्तमान उपकरणों के साथ प्राप्त किए जा सकते हैं, जिसमें आवश्यक अंतःक्रियाओं को बनाने के लिए प्रकाश के कई टोन के साथ सिस्टम को संचालित करने की क्षमता भी शामिल है। उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि यह विधि थर्मल शोर (thermal noise) के प्रति मजबूत है, जिसका अर्थ है कि यह तब भी कार्य कर सकती है जब यांत्रिक वस्तुओं को परम शून्य (absolute zero) तक ठंडा नहीं किया जाता है, जो वास्तविक दुनिया के प्रयोगों में बनाए रखना एक कठिन स्थिति है।

यह कार्य सुझाव देता है कि एंटैंगलमेंट और नॉनलोकैलिटी, हालांकि संबंधित हैं, दो अलग संसाधन हैं जो एक भौतिक प्रणाली की खामियों के प्रति अलग-अलग प्रतिक्रिया देते हैं। अध्ययन यह पहचान करता है कि क्वांटम अवस्था की शुद्धता ही इस अंतर को नियंत्रित करने वाला महत्वपूर्ण कारक है। जब खामियों के कारण अवस्था मिश्रित हो जाती है, तो एंटैंगलमेंट बढ़ सकता है जबकि नॉनलोकैलिटी कम हो सकती है। डार्क मोड्स को मैनिपुलेट करने के लिए चरण-निर्भर ऊर्जा विनिमय का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे इन दोनों गुणों को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित कर सकते हैं। नॉनलोकैलिटी को एंटैंगलमेंट के स्तर से बंधे बिना ट्यून करने की यह क्षमता क्वांटम सूचना विज्ञान के लिए एक नया उपकरण प्रदान करती है। यह अधिक विश्वसनीय क्वांटम संचार नेटवर्क और क्वांटम अवस्थाओं के उच्च-सटीक टेलीपोर्टेशन का मार्ग प्रशस्त कर सकता है, जहाँ एक कनेक्शन की क्वांटम प्रकृति को सिद्ध करने की क्षमता उस कनेक्शन के स्वयं होने जितनी महत्वपूर्ण है। प्रस्तावित आर्किटेक्चर यांत्रिक प्रणालियों में इन नॉनलोकल सहसंबंधों को नियंत्रित करने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है, जो क्वांटम यांत्रिकी की सैद्धांतिक संभावनाओं को प्रयोगात्मक वास्तविकता के करीब लाता है।